Пьюрекс-процесс
Пьюрекс-процесс<ref>Шаблон:Cite web</ref>, пурекс-проце́сс<ref>Шаблон:Cite web</ref> (от англ. Шаблон:Lang-en2, PUREX, «регенерация урана и плутония посредством экстракции»; в отечественной литературе обычно водно-экстракционная или экстракционно-сорбционная технология на основе трибутилфосфата<ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref>) — технологический процесс переработки отработавшего ядерного топлива.
История
Пьюрекс-процесс был открыт химиками Шаблон:Нп5 и Ларнедом Брауном Аспри в Металлургической лаборатории Чикагского университета в рамках Манхэттенского проекта. Их начальником в это время был Гленн Сиборг; заявка на патент «Процесс извлечения плутония посредством растворителя» (англ. Шаблон:Lang-en2) была подана в 1947 году<ref>Шаблон:Cite patent</ref>, трибутилфосфат там упоминается как основной реагент, который выполняет основную часть химической реакции<ref>Шаблон:Cite web</ref>.
Исследуя способы выделения урана методом экстракции с 1950 г., советский химик С.М. Карпачёва совместно со своим германским коллегой Максом Фольмером предложила использовать трибутилфосфат (ТБФ) для экстракции урана и плутония без добавок минеральных солей, из-за которых увеличивался объем отходов, а потом и применять синтин в качестве разбавителя. В 1955 году С. М. Карпачева с коллегами подготовили заявку на патент разработанной схемы применения ТБФ с синтином. Работы Карпачёвой положили начало внедрению ТБФ в советскую атомную промышленность<ref>Шаблон:Cite web</ref>.
Растворение в азотной кислоте
После растворения ТВЭЛов в азотной кислоте исходный раствор, в зависимости от глубины выгорания топлива, содержит 250—300 г/л U, до 3 г/л Pu и до 100 мг/л Np. Исходный раствор фильтруют и направляют на стадию подготовки к экстракции.
Экстракция
Подготовка
На этой стадии из раствора отдувают молекулярный йод (IШаблон:Sub), а Pu переводят, в основном, в состояние PuШаблон:Sup для обеспечения нормального разделения элементов в процессе экстракции.
Первый экстракционный цикл
В течение первой экстракции (30 % раствор ТБФ в керосине) в органическую фазу извлекаются U, Pu, Np, актиниды Am, Cm и ряд осколочных элементов (РЗЭ, Ru, Zr, Nb и др.). Для повышения коэффициента очистки урана и плутония от примесей органическую фазу промывают растворами азотной кислоты и нитрата аммония: при этом U и Pu остаются в органической фазе, а значительная часть осколочных элементов переходит в рафинат.
Реэкстракция
В процессе реэкстракции происходит разделение U и Pu. Аппарат для разделения состоит из двух зон: зоны разделения и зоны отмывания плутония от захваченного урана. В качестве восстановителя при реэкстракции используют соли железа(II) или урана(IV); в качестве перспективного восстановителя также были предложены гидразин, N,N-диэтилгидроксиламин<ref>Шаблон:Статья</ref> и N,N-диметилгидроксиламин<ref>Шаблон:Статья</ref>. Полученный реэкстракт PuШаблон:Sup содержит значительное количество урана. Отмывка реэкстракта проводится во второй зоне аппарата потоком свежего экстрагента (расход его составляет до 20 % от общего объёма органической фазы). В результате остаточная концентрация U в плутониевом реэкстракте обычно не превышает 10-20 мг/л.
Второй экстракционный цикл
Задачей второго (а в некоторых схемах и третьего) цикла экстракции является дальнейшая очистка U от продуктов деления и от остаточного плутония (до 10 мг Pu на 1 кг U). Режим второго цикла экстракции — промывки — реэкстракции плутония аналогичен режиму первого цикла. В ходе реэкстракции U дополнительно очищается от осколочных элементов, Np, и следов плутония. В зависимости от конкретной схемы переработки возможна реэкстракция сначала урана, а потом осколочных элементов, и наоборот. Раствор нитрата уранила после второго цикла экстракции, содержащий 80 г/л урана, направляют на упаривание и денитрацию с целью последующего получения диоксида урана.
Аффинаж
После отделения плутония от основной массы урана в первом цикле экстракции, дальнейшая очистка его осуществляется на стадии аффинажа. В результате аффинажной очистки плутония получают его концентрированный раствор (до 100 г/л), из которого в дальнейшем получают чистый диоксид плутония.
Общие сведения
Нептуний при данных схемах переработки концентрируется в двух потоках (с ураном и плутонием) и в дальнейшем отделяется на стадии аффинажа.
| Операции | Ru+Rh | Zr+Nb | РЗЭ | Cs | Коэфф. очистки по суммарной γ-активности |
|---|---|---|---|---|---|
| U | 9Шаблон:E | 6,5Шаблон:E | 2Шаблон:E | 5Шаблон:E | 7,5Шаблон:E |
| Pu | 108 | 6,2Шаблон:E | 1010 | 5Шаблон:E | 108 |
| Np | - | - | - | - | 109 |
При глубине выгорания топлива до 30 МВт·сут/кг и сроках охлаждения 2—3 года, активность исходного водного раствора, поступающего на первый цикл экстракции, составляет 100—250 Ки/л. За один цикл экстракции органическая фаза получает дозу облучения порядка 10Шаблон:Sup Гр, при этом в ней появляется заметное количество продуктов радиолиза (до 150 мг/л дибутилфосфата и др.). Чтобы эффективность экстракционной переработки не ухудшалась, органическую фазу промывают раствором щёлочи или соды (20 % раствор NaШаблон:SubCOШаблон:Sub).